Качество воздуха. Атмосфера является источником кислорода и диоксида углерода, необходимых для жизненно важных биохимических процессов. Атмосфере принадлежит также роль одеяла, которое поддерживает температуру в пределах, допускающих жизнь, и роль щита, который препятствует проникновению из космоса излучения, губительного для подавляющего большинства организмов (или, по крайней мере, значительно его ослабляет). Чтобы эти важнейшие функции атмосферы сохранялись, ее состав не должен подвергаться серьезным изменениям.
Земная атмосфера – это единая система. Методы современной метеорологии, в частности наблюдения со спутников, убедительно доказывают теснейшую взаимосвязь атмосферных явлений, ответственных за состояние погоды, на обширных пространствах земного шара. Эффект от изменения атмосферы в каком-то одном регионе в конце концов распространяется по всей атмосфере.
Изменения в атмосфере, вызванные деятельностью человека, всегда связаны с выбросом тех или иных веществ, разносимых далее ветрами. Чаще всего это выбросы продуктов сжигания. В большом количестве поступают в атмосферу газы, отходы химического производства и радиоактивные вещества.
Наиболее очевидное загрязнение – выброс в атмосферу веществ, оказывающих прямой отравляющий эффект на все живое. Однако некоторые загрязняющие вещества проявляют свое действие спустя длительное время. Например, поступление в атмосферу хлорфторуглеродов (ХФУ), используемых в качестве наполнителей аэрозольных упаковок, охлаждающих агентов (фреонов) и химических растворителей, приводит к разрушению озона – газа, который образует в стратосфере слой, поглощающий ультрафиолетовое излучение Солнца. (Под действием ультрафиолетовых лучей молекулы ХФУ распадаются с высвобождением атомов хлора и оксидов хлора, которые и разрушают озоновый слой).
Озоновая дыра. Собственно говоря, озоновый слой не является слоем в строгом смысле этого слова: молекулы озона присутствуют везде в атмосфере, но на высоте 10–40 км над уровнем моря озон содержится в количестве 1 молекула озона на 100 000 других молекул, тогда как на меньшей высоте его концентрация ниже. Выражение «озоновая дыра» означает снижение концентрации озона в стратосфере над определенными районами земного шара. Чаще всего под «озоновой дырой» понимают весеннее снижение содержания озона над Антарктидой, но недавно истощение озонового слоя обнаружено и в Северном полушарии.
Поскольку ученые связывают наблюдаемое в последние годы сезонное уменьшение концентрации озона в стратосфере с возросшим поступлением в атмосферу ХФУ, отдельными государствами и на международном уровне были предприняты попытки сократить применение этих веществ. В США, например, применение ХФУ в качестве наполнителей аэрозольных упаковок не допускается с 1978, а все производство ХФУ запрещено начиная с 1995. В 1987 в Монреале представителям разных государств удалось достичь соглашения, предписывающего обязательное сокращение использования ХФУ. Эти договоренности были подтверждены в 1990, когда на международном уровне было решено полностью прекратить применение ХФУ к 2000.
Некоторые ученые оспаривали наличие непосредственной связи между выбросами ХФУ и уменьшением содержания озона в стратосфере на том основании, что, во-первых, относительно большая молекулярная масса ХФУ препятствует попаданию этих веществ в стратосферу в ощутимом количестве, а во-вторых, соединения хлора, поступающие в верхние слои атмосферы из природных источников, например из морской воды или при извержении вулканов, должны в значительной мере перекрывать эффект, оказываемый ХФУ. Однако специалисты в этой области указывают на то, что движения крупных воздушных масс перемешивают тяжелые и легкие молекулы газов в равной мере и что хлорсодержащие соединения естественного происхождения вымываются из атмосферы дождями и только ничтожное количество их достигает стратосферы; в то же время ХФУ, нерастворимые в воде и химически крайне инертные, сохраняются и в конечном итоге попадают в стратосферу.
Многое остается неясным. Так, например, не доказано, что интенсивность ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли, действительно возрастает. Кроме того, степень сезонного уменьшения содержания озона колеблется, из чего следует, что на этот процесс существенное влияние оказывают какие-то другие факторы помимо концентрации ХФУ; это могут быть природные изменения в характере атмосферной циркуляции или выделение серной кислоты при извержении вулканов.
Парниковый эффект и глобальное потепление. С состоянием атмосферы связана и другая серьезная проблема, а именно изменения температуры в масштабах всего земного шара. Вследствие сжигания ископаемого топлива (нефти, каменного угля, природного газа) и выжигания лесов в атмосферу выбрасывается ежегодно громадное количество углерода. Определенная доля его остается взвешенной в воздухе в виде мельчайших твердых частиц, препятствующих проникновению солнечного света, а следовательно, и процессам фотосинтеза. Значительная часть выброшенного в атмосферу углерода соединяется с кислородом, образуя диоксид углерода, что не только сокращает запас свободного кислорода – потенциального источника озона, но и способствует удержанию атмосферой тепла. Сохраняющееся в атмосфере тепло приводит к повышению температуры земной поверхности. Явление это широко известно как «парниковый эффект».
Парниковый эффект не является, однако, чем-то новым для Земли. Изолирующий покров атмосферы – естественное образование, существующее уже по крайней мере более миллиарда лет и совершенно необходимое для сохранения жизни. Установлено, что природный парниковый эффект обеспечивает в настоящее время поддержание средней температуры на поверхности Земли на 33° C выше той, которая наблюдалась бы в отсутствие атмосферного покрова.
Современные ежегодные выбросы в атмосферу углерода за счет таких источников, как промышленность, автомобильный транспорт и сжигание растительности (лесов и травяного покрова с целью расчистки площадей для сельскохозяйственных культур), оценивается приблизительно в 7 млрд. т. Это намного больше того количества углерода, которое выбрасывалось в атмосферу до наступления промышленной эры. По данным регулярных измерений, за период с 1958 содержание диоксида углерода в атмосфере возросло на 15% (в объемных единицах), что соответствует повышению его концентрации с 0,030% до 0,035%.
Существует убеждение, что рост содержания углерода в атмосфере может стать причиной усиления парникового эффекта и глобального потепления с вероятными разрушительными последствиями. Некоторые математические модели, учитывающие повышение концентрации СО2 в атмосфере, предсказывают сравнительно быстрое возрастание средней температуры на Земле на 5° C, что может привести к разрушению многих естественных местообитаний и сельскохозяйственных угодий, а также к таянию полярных шапок и затоплению прибрежных городов.
Хотя 7 млрд. т – огромное количество, это лишь малая доля от массы углерода, выделяемого в атмосферу естественным образом. Дыхание растений, животных и микроорганизмов, биологическое разложение органических остатков и другие природные процессы в сумме дают ежегодное поступление в атмосферу ок. 200 млрд. т углерода в год, что составляет ту часть глобального круговорота углерода, которая связана с выделением СО2 . Кроме того, содержащаяся в атмосфере вода (пары и капли) обеспечивают поддержание парникового эффекта на 98%.
Общее (в масштабах земного шара) возрастание температуры с 1880 по 1990 составило всего 0,5° C, что находится в пределах обычных температурных колебаний. В течение этого времени были периоды как похолодания (1940-е и 1950-е годы), так и относительного потепления (1890-е, 1920-е и 1980-е годы). Кроме того, надо отметить, что в разных регионах ситуация складывалась по-разному. В США, например, фактического потепления за последние 100 лет не обнаружено. Оказалось также, что ежегодное увеличение содержания диоксида углерода в атмосфере составляет только около половины той величины, которую следовало бы ожидать при учете реальных промышленных выбросов этого вещества в атмосферу. Причина такого несоответствия – поглощение СО2 океанами и лесами, функционирующими фактически как громадные поглотители или резервуары. Более того, общее повышение температуры на Земле не пропорционально отмеченному выше увеличению содержания диоксида углерода в атмосфере. Наконец, небольшое глобальное потепление всегда можно объяснить не парниковым эффектом, а иными причинами, например продолжающимся восстановлением «нормальной» температуры после длительного глобального похолодания, наблюдавшегося с 1400-х до 1850-х годов.
Кислотные дожди. Нейтральный раствор характеризуется величиной рН 7,0. Более низкие значения указывают на кислую реакцию, а более высокие – на щелочную. «Чистый» дождь обычно имеет слегка кислую реакцию, поскольку содержащийся в воздухе диоксид углерода вступает в химическую реакцию с дождевой водой, образуя слабую угольную кислоту. Теоретически такой «чистый», слабо-кислотный дождь должен иметь рН 5,6, что соответствует равновесию между СО2 воды и СО2 атмосферы. Однако из-за постоянного присутствия в атмосфере различных веществ дождь никогда не бывает абсолютно «чистым», и его рН варьирует от 4,9 до 6,5, со средним значением ок. 5,0 для зоны умеренных лесов. «Кислотным» считают дождь, рН которого ниже 5,0. Загрязнение атмосферы большим количеством оксидов серы и азота может увеличить кислотность осадков до pН 4,0, что выходит за пределы значений, переносимых большинством организмов.